干涉法测SPRITE红外探测器MTF的研究

提出用迈克尔逊干涉条纹测SPRITE探测器的调制传递函数的方法,并主要对迈克尔逊干涉条纹光强的具体分布情况进行了分析。

SPRITE红外探测器性能的最佳应用

文章介绍了工作波段为 8～ 12 .5μm、工作温度为 80K ,器件尺寸 :长度L =70 0 μm、宽度w=6 2 .5μm、厚度d =7μm、读出区面积wl=6 2 .5μm× 50 μm(名义值 )的 8条SPRITE红外探测器制造和性能 ;描述了器件工作电压和探测器性能的关系 ;讨论了该探测器在热成像系统中最佳使用偏置应为 6 0V/cm ,而不是目前的 30V/cm ;对SPRITE探测器进行了理论分析 ,指出 :在热成像系统中 ,偏置为 6 0V/cm的SPRITE探测器将获得最佳应用 ,其性能优于 16 0元背景限线列探测器 ;还讨论了探测器的热负载和工作电压的关系。

低轨星座红外探测器对临近空间高超声速目标的可探测性分析

以STSS LEO红外探测平台为例,分析其对AGM-183A类空射式高超声速目标的可探测性。为了直观比较不同条件下目标的光电探测特性,将其量化为焦平面上输出信噪比超过阈值的像元数量。首先计算目标气动温度及光谱辐射强度,再利用探测器模型,计算在不同探测方向、距离和角度下,焦平面的信噪比峰值以及超过信噪比阈值的像元数量。分析结果表明,星下点模式下信噪比峰值最高(335),且超过信噪比阈值(6)的像元数最多(54×54),此像元数代表LEO星座对AGM-183A目标的最大可探测性。在临边探测模式下,给出目标可探测性随探测角度和目标温度的变化规律。结果表明,当目标温度接近800 K且探测方位角ψ小于10°(或大于170°)时,焦平面上超过信噪比阈值的像元数量为4×4,说明此时目标可探测性已经接近探测器的理论极限(3×3)。对比来看,温度的改变对目标可探测性的影响更为显著。在临边探测模式下,目标在飞行中段采用主动冷却手段降低表面气动温度以逃脱LEO探测的概率更高。从提高预警能力角度,要提高探测器在最不利角度对温度接近800 K目标的信噪比阈值(方位角ψ小于10°或大于170°时焦平面像元数量不低于8×8)。

光伏型红外焦平面探测器NETD的理论计算和测试分析

噪声等效温差(NETD)是表征红外焦平面探测器灵敏度的重要参数,除了器件本身的因素以外,与实际应用条件及测试条件密切相关。从红外焦平面探测器NETD的测试方法和流程出发,对光伏型红外焦平面探测器NETD的理论计算公式进行了推导,分析了影响器件NETD的主要因素,对典型红外焦平面探测器在不同积分时间、不同电荷存储量、不同F数及半阱输出条件下的背景限NETD进行了理论计算及分析。在固定背景温度下,通过理论公式可从某一温差的NETD推算出不同温差的NETD,选择典型器件进行验证,从常规NETD测试结果推算出的一组NETD与相应温差下的实测结果符合较好,其中1 K温差的NETD推算结果已非常接近实际情况,可为热像仪系统应用提供参考。

大幅宽多谱段高光谱红外探测器研究

报道了基于分子束外延(Molecular Beam Epitaxy,MBE)碲镉汞(Mercury Cadmium Telluride,MCT)技术的大幅宽、多谱段、大像元高光谱红外探测器的最新研究进展。采用MBE技术制备出高质量MCT材料;采用成熟的n-on-p技术路线制备探测芯片,并针对特殊形状的大像元进行了优化;高光谱专用读出电路设计针对短波、窄谱段、小信号等典型特征进行了优化,并针对光谱应用加入行增益可调等功能设计。测试结果表明,组件基本性能良好,有效像元率大于99.5%,平均量子效率优于70%。

基于低温积分球的中红外陷阱探测器技术

针对中波红外辐射测量定标的需求,提出了将微型积分球与中红外探测器集成在低温环境中。验证比对了几种用于制作积分球内腔表面的材料样品,通过宽光谱反射率、特征光谱反射率、双向反射分布函数(bidirectional reflectance distribution function,BRDF),以及用激光共聚焦显微镜、扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)等进行微观表面形貌的测量,获得了适用于制作中红外积分球的内腔表面制作工艺。BRDF测试结果显示,制作的内腔表面接近朗伯反射表面。测试了积分球探测器样品的光谱与电学性能,经过表面粗糙化处理并蒸镀金属反射膜,样品的光谱波段适应性好,光强衰减比为0.0674,经计算,积分球内腔壁的反射率为96.4%;同时,低温积分球的引入,使探测器芯片的噪声由3.5×10^(-12)A·Hz^(-1/2)降低至1.0×10^(-12)A·Hz^(-1/2)。

非制冷势垒型InAsSb基高速中波红外探测器

高速响应的中波红外探测器在自由空间光通信和频率梳光谱学等新兴领域的需求逐渐增加。中长波XBnn势垒型红外光探测器对暗电流等散粒噪声具有显著抑制作用。本文在GaSb衬底上采用分子束外延技术生长了nBn和pBn两种结构的InAsSb/AlAsSb/AlSb中波红外光探测器材料,并通过微纳加工工艺制备了可用于射频响应特性测试的GSG结构探测器。XRD和AFM的测试结果表明,两种结构的外延片都具有较好的晶体质量。器件暗电流测试结果表明,相较于nBn器件,在室温和反向偏压400 mV的工作条件下,直径90μm的pBn器件表现出更低的暗电流密度0.145 A/cm^(2),说明该器件在室温非制冷环境下表现出较低的噪声水平。不同台面直径的探测器的暗电流测试表明,pBn器件的表面电阻率低于对照的nBn器件的表面电阻率。另外,根据探测器的电容测试结果,可零偏压工作的pBn探测器具有完全耗尽的势垒层和部分耗尽的吸收区,nBn的吸收区也存在部分耗尽。探测器的射频响应特性表明,直径90μm的pBn器件的响应速度在室温和3 V反向偏压下可达2.62 GHz,对照的nBn器件的响应速度仅为2.02 GHz,响应速度提升了29.7%,初步实现了在中红外波段下可快速探测的室温非制冷势垒型光电探测器。

无机纳米颗粒及界面层协同改善倍增型近红外有机光电探测器性能

近红外有机光电探测器具有低成本、可溶液旋涂、生物兼容性好和柔性可穿戴等优势,在生物传感、医学成像、柔性可穿戴电子器件等领域有广泛的应用前景。倍增型有机光电探测器相比于二极管型有机光电探测器,因其具有更高的外量子效率(EQE>100%)和灵敏度而备受关注。该类器件利用电极附近被载流子陷阱捕获的一种载流子能辅助另一种极性相反的载流子从外电路隧穿注入到活性层中,实现光电倍增,但陷阱的数量在一定程度上会影响器件性能的进一步提升。本文通过在活性层中掺入无机ZnO纳米颗粒来增加电子陷阱数量,使得器件在反向偏压保持暗电流密度的前提下,亮电流密度得到提高。通过优化,发现当ZnO纳米颗粒掺杂比例为5%时性能最优,在850 nm LED照射、-15 V偏压下,与未掺杂ZnO纳米颗粒器件相比,亮电流密度提升了7.4倍。在此基础上,本文协同Al_(2)O_(3)界面修饰层,进一步改善器件性能。结果表明,Al_(2)O_(3)界面修饰层的插入可改善器件的阳极界面接触特性,使得器件在正向和反向偏压下都能够实现光响应。Al_(2)O_(3)修饰后的器件在15 V偏压、全光谱范围内,EQE最高可达10^(5)%,R最高达10^(4) A/W。本工作为高灵敏度有机光电探测器的发展提供了新的思路和方法。

冷光学用大口径2 k×2 k红外探测器组件封装技术

大面阵和长线列红外探测器已成为下一代红外探测器的发展方向之一,针对于大面阵探测器低温封装的难点,提出了一种大面阵探测器组件封装结构。对组件低形变窗口支撑结构、低噪声冷平台结构以及低漏热兼高可靠性的引线键合工艺等方面进行了研究,以中波红外2 k×2 k探测器组件为研究对象,通过200 K窗口低温光学设计和低形变窗口帽支撑方式实现组件低背景杂散光抑制设计和窗口形变控制。采用SiC基板实现探测器工作温度波动控制和噪声抑制,5 min内探测器温度波动小于0.1 K,噪声等效温差(NETD)小于20 mK。为了降低引线漏热和增强引线可靠性,采用铂铱丝键合工艺,引线漏热相较于金丝和硅铝丝下降至1/10,制冷机功率由72 W降至39 W。引线随组件通过随机和正弦力学试验考核。解决了大面阵探测器封装中杂散光、大口径窗口形变、探测器噪声、引线漏热和强度等一系列问题,该组件已成功运用于某项目2 k×2 k探测器封装中。

中波红外640×512(25μm)探测器组件可靠性验证试验

随着红外探测器技术的发展,对探测器组件的可靠性提出了更高的要求。探测器可靠性随整机考核的方法难以满足考核需求,针对该问题,开展了中波红外640×512(25μm)探测器组件在环境应力下的可靠性验证研究,对探测器组件中的关键部位进行了高温加速寿命试验、持续工作等试验,并根据关键部件专项可靠性试验数据对探测器组件的整体可靠性进行预计,结合所选择的可靠性评估方法,对试验结果进行评估,评估结果表明所研制的组件满足可靠性要求。所使用的可靠性验证及评估方法,可以对制冷型红外探测器组件做出较为客观、准确的评估。

红外探测器芯片高可靠性键合工艺研究

金丝键合工艺广泛应用于红外探测器的封装环节。实验选用25μm金丝,基于正交试验法,根据键合拉力值确定键合的最佳工艺参数。通过优化超声压力、超声功率、超声时间及接触力等工艺参数组合,改善了键合引线的电气连接性能和连接强度,从而提高芯片系统的信号传输质量。提出的引线键合工艺参数组合适用于红外探测芯片的键合。

超大面阵红外焦平面探测器杜瓦热机结构研究(内封面文章)

针对拼接式超大面阵红外焦平面探测器杜瓦封装性能要求,采用基于精密垫片的三点可调式模块结构,设计了多点耦合高导热柔性冷链结构和低应力高均温的SiC冷平台结构,并开展了探测器模块精密拼接、超大规模面阵焦面温度均匀性、大杜瓦组件低冷损、超大冷平台组件力学可靠性等关键技术研究。利用2 k×2 k红外探测器模块以3×3的阵列拼接,组件总规模达到6 k×6 k,利用液氮制冷采集了9个模块的温度,温度均匀性为±0.45 K,模块拼接后焦平面阵列平面度优于±10μm,在外壳为室温时获得超大杜瓦组件的漏热为7.53 W。对大组件开展的力学试验表明,XYZ三方向最低基频为557 Hz,经9 grms随机振动后,组件功能正常,未发生明显变化,满足工程化应用需求。

可变冷光阑红外探测器研究进展和关键技术分析

为了进一步提高红外变焦光学系统的性能,兼顾其空间分辨率和灵敏度的要求,基于可变冷光阑技术的制冷型变F数红外探测器需求迫切。相较于传统的红外变焦光学系统,变F数红外变焦光学系统可在大视场和小视场切换时保持分辨率和灵敏度的平衡,提高光学系统的孔径利用率,进而缩小光学系统的径向尺寸,有利于红外光学系统成像质量的提升和小型化设计。本文对变F数与变焦之间的关系进行研究,概述了国内外在可变冷光阑红外探测器技术领域的研究进展,并对主流技术路线的关键技术难点进行了分析。

制冷型红外探测器杜瓦辐射热的角系数计算

随着大面阵、长线列、双/多色、数字化红外探测器技术的不断发展,杜瓦的尺寸和结构复杂程度逐步增加。计算辐射漏热时,传统的方法一般将杜瓦简化为同轴圆筒模型,导致计算误差较大。为提高杜瓦辐射漏热的计算精度,对主要的角系数计算方法进行分析,基于蒙特卡洛原理,采用3D Studio Max(3ds Max)建模,提取模型信息编写程序,得到了一种适用性较强的杜瓦结构通用角系数计算程序。为了检验计算程序的正确性,计算了三种典型模型的角系数和相对误差,计算结果表明随着能束数量的增加,相对误差可控制在1%~-1%之间。最后,计算了某型杜瓦的角系数并给出了其中的12个,对于紧凑结构的杜瓦,蒙特卡洛法是一种高效的计算方法,当能束数量达到万条的量级就可以得到有统计意义的结果。

可对信号再处理的拼接红外探测器封装电学设计

随着线列型红外探测器技术的发展,对超大视场扫描的需求是线列型红外测器应用的重要方向,超大视场扫描通常需要由多片线列型红外探测器拼接完成,而拼接设计的核心主要是封装结构设计。如何将探测器信号完整的引出到封装体外,就是封装结构设计中电学设计需要做的工作。文章介绍了一种线列型红外探测器拼接结构的封装电学设计,首先介绍该拼接结构的拼接方式,然后介绍为满足该种结构的电学结构设计方案,尤其是对信号二次处理部分的电学结构设计方案,最后介绍针对该种电学结构方案进行的电学布线设计方案。

高性能PtS_(2)/MoTe_(2)异质结红外光电探测器

由于光电探测器的工作性能直接关系到系统数据采集质量,为此,对高性能PtS_(2)/MoTe_(2)异质结红外光电探测器进行了研究。通过选取材料、试剂和设备制作了PtS_(2)/MoTe_(2)异质结红外光电探测器。搭建探测器性能测试环境,并利用光响应度、探测率、响应时间和光电导增益4个指标,分析探测器性能。结果表明,随着测试时间的推移,PtS_(2)/MoTe_(2)异质结红外光电探测器的光响应度数值始终处于5 A/W限值以上;无论对采集何种材质反射的红外光,探测器探测率均大于10 cm·Hz1/2 W^(-1);无论光生电流是处于上升还是下降时间,其响应时间始终在限值150μs以下;光电导增益值保持在80%以上。

基于纳米金属阵列天线的石墨烯/硅近红外探测器

金属纳米颗粒低聚体不仅具有等离激元共振效应实现光场亚波长范围内的局域化和增强,还可以通过泄漏光场相互干涉实现法诺共振和连续态中的束缚态,从而使得电磁场更强的局域和增强.本文采用金纳米低聚体超构表面作为石墨烯/硅近红外探测器的天线,实现了光响应度2倍的增强;通过调节纳米金属低聚体间夹角,发现当该夹角为40°时,光电流达到最大值,对应法诺共振最大的透射率,此时天线不仅汇聚光场能量还定向发射给探测器;当该夹角为20°时,光电流出现一个低谷,此时能量局域于低聚体内,金属损耗减弱了等离激元增强效果.该工作通过时域有限差分法仿真和实验相结合研究了低聚体超构表面光电耦合效率的动态过程,为提高光电探测效率提供了一种重要的途径.

基于硅/二维层状材料异质结的红外光电探测器研究进展

红外光是一种频率介于微波和可见光范围之间的电磁波,在光通信、人工智能、医用治疗、军事探测和航空航天等领域具有广泛的应用。硅的带隙为1.12 eV,导致硅基光电探测器的截止波长短(约1.1 mm)。近年来,研究发现了新型二维层状材料,它们具有带隙可调、载流子迁移率高、光谱响应宽、暗电流低、稳定性高以及制备工艺与互补金属氧化物半导体(Complementary metal oxide semiconductor, CMOS)工艺兼容等诸多优点,引起了研究人员的广泛关注。通过将硅与二维层状材料结合,能够有效地将硅基光电探测器的探测波段向波长超过1.1 mm的红外光波段拓展。本文着重介绍了近年来可探测波长超过传统硅光电探测器的基于硅/二维层状材料异质结的光电探测器在近红外和中红外光波段的研究进展并展望了其发展前景。

芯片级节流制冷器实验及红外探测器应用研究

芯片级节流制冷器(Micro Miniature Refrigerator, MMR)是一种新型节流制冷器,其轴向尺寸大幅短于传统节流制冷器,能够显著降低与之适配的红外探测器体积。然而,目前的芯片级节流制冷器的红外探测器应用仍存在较多困难。为提升MMR的性能,使其满足红外探测器应用需求,建立了MMR计算模型以研究制冷器的流动换热以及工作特性并指导样机制造,模型计算结果与实验值符合良好;制造了MMR样机,并根据理论分析和实验结果提出了针对制冷器结构、材料、流道布置等优化方案,显著提升了制冷性能;进一步提出了能够适配红外探测器的MMR实验样机,该样机能够显著缩短红外探测器轴向尺寸,实现了高温60℃环境下38 s达到126 K制冷温度(使用200 mL气瓶常压下充注50 MPa氩气并将气瓶和样机放入60℃环境下保温2 h),能够满足320 pixel×256 pixel,像元间距15μm的中波红外探测器降温性能需求,并且较国外同类型探测器产品也具有一定技术优势。

基于兰姆波谐振器和超表面的谐振式热红外探测器研究

设计了一种基于氮化铝(AlN)兰姆波谐振器和超表面的谐振式热红外探测器,基于超表面的吸收器用于对特定波长红外辐射的吸收,再利用AlN兰姆波谐振器的温度频率效应检测红外辐射。首先,对兰姆波谐振器的电极周期、电极宽度、AlN薄膜厚度和支撑轴尺寸进行优化设计,设计了电极周期分别为12μm和1.2μm的谐振器结构,其工作频率分别为365 MHz和2544 MHz。其次,设计了方形结构超表面的等离子体吸收器,并研究分析其红外吸收机理及结构尺寸对吸收性能的影响规律。通过集成超表面红外吸收器并调节吸收结构尺寸,实现可调谐、近100%的双带吸收性能,在3μm~5μm和8μm~12μm处的吸收率均超过99.5%,谐振式热红外探测器的响应时间低于0.8 ms、热噪声等效功率低于10^(-11)Hz/μW。